Tiến Sĩ Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số.

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2013

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU . 1
DANH MỤC BẢNG . 4
DANH MỤC HÌNH 5
MỞ ĐẦU 9
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG PROFILE BỀ MẶT CHI TIẾT CƠ KHÍ 13
1.1. Đánh giá chất lượng và độ chính xác của chi tiết cơ khí qua profile bề mặt . 13
1.2. Các thông số đánh giá profile bề mặt . 15
1.2.1. Thông số nhám 2D 16
1.2.2. Thông số nhám 3D 16
1.3. Các phương pháp đo profile bề mặt . 21
1.3.1. Phương pháp chép hình . 22
1.3.2. Phương pháp đo theo mặt 26
1.3.3. Phương pháp dùng kính hiển vi đo quét . 32
1.3.4. Xác định chiều sâu từ độ nhòe ảnh 36
1.4. Kết luận chương . 49

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THUẬT TOÁN TÁI HIỆN PROFILE BA CHIỀU . 51
2.1. Cơ sở lý thuyết 51
2.1.1. Mô hình hình ảnh đơn giản nhất 51
2.1.2. Mô hình nhòe dạng khuếch tán 56
2.1.3. Mô hình tính toán sử dụng độ nhòe ảnh . 62
2.2. Phương pháp xây dựng lại profile / biên dạng . 64
2.3. Hiệu chuẩn thuật toán 71
2.3.1. Tính toán các bề mặt giả định để kiểm tra thuật toán . 71
2.3.2. Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi số bước lặp, trong trường hợp bề mặt dạng dốc . 74
2.3.3. Khảo sát độ chính xác của bề mặt khi thay đổi khoảng cách giữa 2 ảnh nhòe, trong trường hợp bề mặt dạng phẳng 78
2.4. Kết luận chương 84

Chương 3. KÍNH HIỂN VI KỸ THUẬT SỐ . 85
3.1. Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi kỹ thuật số . 85
3.2. Phân tích độ nhòe ảnh sử dụng cảm biến hình ảnh (CCD) 86
3.2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh CCD 87
3.2.2. Đặc điểm của cảm biến hình ảnh CCD . 92
3.3. Xây dựng cơ sở tính toán chuyển đổi tín hiệu đo trong hệ quang đối với từng điểm sáng trên bề mặt đo . 96
3.3.1. Khi điểm sáng trên bề mặt đo nằm đúng mặt phẳng vật của thấu kính tương đương 97
3.3.2. Khi điểm sáng trên bề mặt vật đo nằm ngoài mặt phẳng vật của thấu kính tương đương . 97
3.3.3. Khi điểm sáng trên bề mặt vật đo nằm trong mặt phẳng vật của thấu kính tương đương . 98
3.4. Biến đổi độ lệch δ từ quang thông phân bố đều trên vòng tròn mờ thành tín hiệu điện . 101
3.4.1. Thay đổi quang thông theo diện tích vòng tròn mờ trên màn thu 101
3.4.2. Biến đổi quang thông nhận được trên phần tử thu thành tín hiệu điện 107
3.5. Tính toán thông số của kính hiển vi kỹ thuật số 111
3.6. Kính hiển vi kỹ thuật số Keyence VHX100 115
3.6.1. Đặc điểm 115
3.6.2. Tính toán lại các thông số kỹ thuật của kính hiển vi VHX100 116
3.7. Kết luận chương . 123

Chương 4. THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG VÀ KẾT QUẢ . 124
4.1. Thực nghiệm đo profile mặt phẳng chuẩn 124
4.1.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt chuẩn bậc Mitutoyo code 178-610 chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 125
4.1.2. Xây dựng lại bề mặt của mặt phẳng chuẩn 129
4.1.3. Xây dựng lại bề mặt của chuẩn bậc tại khu vực ranh giới giữa vùng 1 và vùng 2 của chuẩn bậc . 131
4.2. Thực nghiệm đo profile bề mặt nhám của chuẩn nhám Mitutoyo . 133
4.2.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt nhám của tấm chuẩn độ nhám Mitutoyo chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 133
4.2.2. Xây dựng lại profile bề mặt nhám của tấm chuẩn độ nhám Mitutoyo . 134
4.3. Thực nghiệm đo kích thước của chi tiết cơ khí . 136
4.3.1. Một số hình ảnh nhòe của bề mặt sau nguyên công phay CNC
chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số . 136
4.3.2. Xây dựng lại profile bề mặt . 137
4.4. Thực nghiệm đo một số chi tiết vi cơ 139
4.4.1. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 1 chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 139
4.4.2. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 2 chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 140
4.4.3. Một số hình ảnh nhòe và bản đồ chiều sâu của chi tiết vi cơ số 3 chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số 141
4.5. Kết luận chương . 142
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 143
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 144
TÀI LIỆU THAM KHẢO 145
CÁC PHỤ LỤC . 150

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong ngành công nghệ chế tạo máy, một chi tiết cơ khí sau gia công ngoài độ chính xác kích thước, hình dạng và vị trí tương quan thì độ nhám bề mặt đóng một vai trò quan trọng. Đôi khi nhám là yếu tố quyết định đến chất lượng và giá trị của chi tiết. Ví dụ độ nhám các sản phẩm như: bộ đôi động cơ diesel, chi tiết quang học, căn mẫu, bàn máp . càng nhỏ thì giá trị sản phẩm đó càng cao.

1. Tính cấp thiết của đề tài
Kích thước hình học, hình dáng và trạng thái bề mặt là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng các chi tiết cơ khí, trong đó bề mặt là một trong các yếu tố quan trọng nhất liên quan đến quá trình hoạt động của chi tiết, có ảnh hưởng lớn đến mối lắp, đến ma sát giữa các chi tiết trong cơ cấu, đến tuổi bền và tuổi thọ của chi tiết máy. Do đó kiểm tra chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công giữ vai trò quan trọng khi đánh giá chất lượng sản phẩm cơ khí.
Đánh giá bề mặt chi tiết một cách tổng thể cho đến hiện nay vẫn đang là một vấn đề mới mẻ. Bề mặt chi tiết sau khi gia công bao gồm nhám bề mặt đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu và đã đặt ra các tiêu chuẩn khác nhau để đánh giá nhám bề mặt, do có vai trò quan trọng đối với chi tiết máy như đã phân tích ở trên. Tuy nhiên, trên thế giới hiện nay việc nghiên cứu vẫn đang tiếp tục do đòi hỏi ngày càng cao về mô tả bề mặt thực của chi tiết ngày càng chính xác hơn, không chỉ mô tả bề mặt trên một đường mà khảo sát trên mặt (2D) và không gian (3D) đang được nghiên cứu tại các trường Đại học, Viện nghiên cứu lớn trên thế giới nhằm đưa ra những gợi ý tốt nhất cho chế độ công nghệ, tạo ra sản phẩm có hình thái học bề mặt thoả mãn các yêu cầu khắt khe của công nghệ ngày càng chính xác. Đề tài này cũng đi theo hướng phát triển chung của thế giới. Trong nghiên cứu này sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh qua kính hiển vi kỹ thuật số để xác định profile bề mặt của chi tiết. Xuất phát từ ảnh bề mặt chi tiết chụp được qua kính hiển vi kỹ thuật số tính toán định lượng quá trình chuyển đổi tín hiệu đo trong cảm biến quang: biến độ nhòe ảnh gây ra bởi nhấp nhô trên profile bề mặt qua hệ quang thành sự thay đổi cường độ sáng trên cảm biến quang, sau đó biến đổi cường độ sáng thành chiều sâu của nhấp nhô bề mặt hay còn gọi là bản đồ chiều sâu - chính là profile bề mặt ba chiều. Tùy vào yêu cầu kỹ thuật cụ thể người ta có thể xử lý bộ số liệu đo profile bề mặt ba chiều này theo những chỉ tiêu khác nhau sẽ cho ra rất nhiều thông số nhám bề mặt. Nhằm đáp ứng những đòi hỏi trong nghiên cứu và ứng dụng phương pháp đo nói trên, luận án chọn đề
tài là: “Nghiên cứu phương pháp xác định profile bề mặt chi tiết gia công cơ khí bằng ảnh kỹ thuật số”
Trong phương pháp xác định profile bề mặt ba chiều này, kính hiển vi kỹ thuật số đóng vai trò bộ phận ghi bề mặt vật đo. Do có nhấp nhô trên bề mặt vật đo nên sinh ra độ nhòe ảnh khác nhau. Để phép đo đạt độ chính xác cao nhất, các thông số kỹ thuật của kính hiển vi cũng như các thông số kỹ thuật của cảm biến quang cần xác định một cách chính xác. Đây là một vấn đề chuyên môn sâu đã được nghiên cứu ở các nước phát triển trên thế giới. Nhưng các tài liệu về cơ sở tính toán, thiết kế, chế tạo kính hiển vi kỹ thuật số này không được công bố rộng rãi. Ở nước ta phương pháp đo này chưa được nghiên cứu, trong khi yêu cầu đo các chi tiết dạng này rất cấp thiết trong công nghiệp dân sự và quốc phòng.

2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán định lượng quá trình chuyển đổi tín hiệu đo lường trong kính hiển vi kỹ thuật số.
Xây dựng thuật toán phục hồi lại bản đồ chiều sâu của profile bề mặt 3D từ hai bức ảnh nhòe (hai chiều) chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số theo phương pháp chiều sâu từ độ nhòe ảnh.
3. Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung giải quyết những vấn đề sau:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán quá trình chuyển đổi tín hiệu đo lường trong kính hiển vi kỹ thuật số.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán một số thông số của kính hiển vi kỹ thuật số.
- Xây dựng thuật toán và viết phần mềm sử dụng nguyên lý đo và các thôngsố đã tính toán được nhằm tự động phục hồi lại hình ảnh ba chiều của đối tượng đo. Áp dụng vào tính toán profile bề mặt chi tiết qua ảnh chụp được trên kính hiển vi kỹ thuật số, theo nguyên lý chiều sâu từ độ nhòe ảnh.

Những nội dung nghiên cứu được trình bày trong 4 chương và các phụ lục:
Chương 1. Tổng quan về đo lường profile bề mặt chi tiết cơ khí.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết và thuật toán tái hiện profile 3 chiều.
Chương 3. Kính hiển vi kỹ thuật số.
Chương 4. Thực nghiệm kiểm chứng và kết quả.